KR20210095567A

KR20210095567A - 랜덤 빔 기반 랜덤 액세스 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20210095567A
Application number: KR1020210004875A
Authority: KR
Inventors: 김윤주; 이유로; 김은경; 박현서; 이안석; 이정훈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2021-01-13
Publication date: 2021-08-02

Abstract

랜덤 빔 기반 랜덤 액세스 방법 및 장치가 개시된다. 통신 시스템의 제1 통신 노드에서 수행되는 동작 방법으로서, 수신 품질에 기초하여 다수의 디바이스들 각각에 대한 수신 빔 방향을 결정하는 단계; 상기 다수의 디바이스들로부터 동일한 랜덤 액세스 프리앰블을 수신하는 단계; 상기 동일한 랜덤 액세스 프리앰블에 대한 응답인 랜덤 액세스 응답을 상기 다수의 디바이스들에 전송하는 단계; 상기 수신 빔 방향에 기초하여 L2/L3 메시지에 대한 수신 동작을 수행하는 단계; 및 상기 L2/L3 메시지의 수신 품질이 임계값 이상인 경우, 상기 수신 빔 방향에 매핑되는 송신 빔을 사용하여 상기 L2/L3 메시지에 대한 경쟁 해소 메시지를 전송하는 단계를 포함하는, 제1 통신 노드에서 수행되는 동작 방법이 제공된다.

Description

랜덤 빔 기반 랜덤 액세스 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RANDOM ACCESS BASED ON RANDOM BEAM}

본 발명은 랜덤 액세스 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중 안테나를 가진 UE(User equipment)가 다수의 디바이스(device)에서 신호를 수신하여 미리 임의로 정해진 랜덤 빔을 사용하여 수신 신호를 디코딩한 후에, 해당 랜덤 빔을 사용하여 통신 서비스를 제공할 수 있도록 하는 랜덤 액세스 기술에 관한 것이다.

정보통신 기술의 발전과 더불어 다양한 무선 통신 기술이 개발될 수 있다. 대표적인 무선 통신 기술로 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 LTE(long term evolution), NR(new radio) 등이 있을 수 있다. LTE는 4G(4th Generation) 무선 통신 기술들 중에서 하나의 무선 통신 기술일 수 있고, NR은 5G(5th Generation) 무선 통신 기술들 중에서 하나의 무선 통신 기술일 수 있다.

4G 통신 시스템(예를 들어, LTE를 지원하는 통신 시스템)의 상용화 이후에 급증하는 무선 데이터의 처리를 위해, 4G 통신 시스템의 주파수 대역(예를 들어, 6GHz 이하의 주파수 대역)뿐만 아니라 4G 통신 시스템의 주파수 대역보다 높은 주파수 대역(예를 들어, 6GHz 이상의 주파수 대역)을 사용하는 5G 통신 시스템(예를 들어, NR을 지원하는 통신 시스템)이 고려될 수 있다. 5G 통신 시스템은 eMBB(enhanced Mobile BroadBand), URLLC(Ultra-Reliable and Low Latency Communication) 및 mMTC(massive Machine Type Communication)을 지원할 수 있다.

한편, 무선 통신의 진화는 다양한 어플리케이션의 등장을 촉진하여 더 많은 수의 디바이스(device)가 무선 통신망에 접속될 것으로 예상될 수 있다. 무선 통신망은 실시간 환경에서 동작하는 지능형 디바이스가 출현함에 따라 저지연 환경에서 동작하는 무선 디바이스들에게 통신 서비스를 제공하기 위하여 다양한 기술들이 필요할 수 있다. 2020년 이후 무선 인터넷에 연결되는 디바이스는 500억개에 달할 것으로 예측될 수 있다.

이러한 폭발적인 무선 디바이스의 증가는 많은 문제를 야기하는데, 이중 대표적인 것이 시간 지연과 연결 접속 등을 위한 시그널링의 증가일 수 있다. 따라서 5G 무선 통신 시스템은 전송 속도에서 1000배의 증가를 목표로 할 뿐만 아니라, 4G 시스템에 비해 10-100배의 무선 접속을 지원하는 것을 목표로 할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 다중 안테나를 가진 UE가 다수의 디바이스에서 신호를 수신하여 미리 임의로 정해진 랜덤 빔을 사용하여 수신 신호를 디코딩한 후에, 해당 랜덤 빔을 사용하여 통신 서비스를 제공할 수 있도록 하는 랜덤 액세스 기술을 제공하는데 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 통신 시스템의 제1 통신 노드에서 수행되는 동작 방법으로서, 수신 품질에 기초하여 다수의 디바이스들 각각에 대한 수신 빔 방향을 결정하는 단계; 상기 다수의 디바이스들로부터 동일한 랜덤 액세스 프리앰블을 수신하는 단계; 상기 동일한 랜덤 액세스 프리앰블에 대한 응답인 랜덤 액세스 응답을 상기 다수의 디바이스들에 전송하는 단계; 상기 수신 빔 방향에 기초하여 L2/L3 메시지에 대한 수신 동작을 수행하는 단계; 및 상기 L2/L3 메시지의 수신 품질이 임계값 이상인 경우, 상기 수신 빔 방향에 매핑되는 송신 빔을 사용하여 상기 L2/L3 메시지에 대한 경쟁 해소 메시지를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 다수의 안테나를 가진 UE가 미리 임의로 정해진 랜덤 빔을 사용하여 디바이스들의 신호를 수신하여 해당 랜덤 빔을 이용하여 디바이스들에게 통신 서비스를 제공하기 때문에 빔포밍을 위해 채널 정보가 필요하지 않을 수 있다.

이처럼, 본 발명에 의하면, 다수의 안테나를 가진 UE가 수신 신호를 수신할 때 사용한 빔을 미리 임의로 정해진 랜덤 빔을 사용하여 디바이스들에게 통신 서비스를 제공하기 때문에 빔포밍 벡터를 구할 필요가 없어 연산량과 계산 시간을 크게 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다수의 안테나를 가진 UE가 미리 임의로 정해진 랜덤 빔을 사용하여 다수의 디바이스들에게 통신 서비스를 제공하기 때문에 채널 상황에 따라서 같은 프리앰블을 전송한 다수 디바이스들의 접속을 동시에 처리할 수 있다.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 랜덤 액세스 방법의 제1 실시예를 도시한 순서도이다.
도 4a와 도 4b는 통신 시스템의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 5는 랜덤 액세스 방법의 제2 실시예를 도시한 순서도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 "통신 네트워크"로 지칭될 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 적어도 하나의 통신 프로토콜을 지원할 수 있다. 예를 들어, 복수의 통신 노드들 각각은 CDMA(code division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, WCDMA(wideband CDMA) 기반의 통신 프로토콜, TDMA(time division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, FDMA(frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SC(single carrier)-FDMA 기반의 통신 프로토콜, NOMA(non-orthogonal multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SDMA(space division multiple access) 기반의 통신 프로토콜 등을 지원할 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.

도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다. 다만, 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(270)가 아니라, 프로세서(210)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 메모리(220), 송수신 장치(230), 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수도 있다.

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 단말들(terminal)(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 커버리지(coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 단말(130-3) 및 제4 단말(130-4)이 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 커버리지 내에 제2 단말(130-2), 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)이 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 단말(130-4), 제5 단말(130-5) 및 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 커버리지 내에 제1 단말(130-1)이 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 커버리지 내에 제6 단말(130-6)이 속할 수 있다.

여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 노드B(NodeB), 고도화 노드B(evolved NodeB), BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node), 노변 장치(road side unit; RSU), DU(digital unit), CDU(cloud digital unit), RRH(radio remote head), RU(radio unit), TP(transmission point), TRP(transmission and reception point), 중계 노드(relay node) 등으로 지칭될 수 있다. 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 접근 단말(access terminal), 이동 단말(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 이동 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), UE(user equipment), 노드(node), 다바이스(device) 등으로 지칭될 수 있다.

복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 셀룰러(cellular) 통신(예를 들어, 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 LTE(long term evolution), LTE-A(advanced) 등)을 지원할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있고, 또는 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀(ideal backhaul) 또는 논(non)-아이디얼 백홀을 통해 서로 연결될 수 있고, 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 서로 정보를 교환할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 코어(core) 네트워크(미도시)와 연결될 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 코어 네트워크로부터 수신한 신호를 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)에 전송할 수 있고, 해당 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)로부터 수신한 신호를 코어 네트워크에 전송할 수 있다.

복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 OFDMA 기반의 다운링크(downlink) 전송을 지원할 수 있고, SC-FDMA 기반의 업링크(uplink) 전송을 지원할 수 있다. 또한, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 MIMO(multiple input multiple output) 전송(예를 들어, SU(single user)-MIMO, MU(multi user)-MIMO, 대규모(massive) MIMO 등), CoMP(coordinated multipoint) 전송, 캐리어 애그리게이션(carrier aggregation) 전송, 비면허 대역(unlicensed band)에서 전송, 단말 간 직접(device to device, D2D) 통신(또는, ProSe(proximity services) 등을 지원할 수 있다. 여기서, 복수의 단말들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)과 대응하는 동작, 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)에 의해 지원되는 동작을 수행할 수 있다.

예를 들어, 제2 기지국(110-2)은 SU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 SU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 또는, 제2 기지국(110-2)은 MU-MIMO 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 MU-MIMO 방식에 의해 제2 기지국(110-2)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 CoMP 방식을 기반으로 신호를 제4 단말(130-4)에 전송할 수 있고, 제4 단말(130-4)은 CoMP 방식에 의해 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3)으로부터 신호를 수신할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 자신의 커버리지 내에 속한 단말(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)과 CA 방식을 기반으로 신호를 송수신할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 제4 단말(130-4)과 제5 단말(130-5) 간의 D2D 통신을 코디네이션(coordination)할 수 있고, 제4 단말(130-4) 및 제5 단말(130-5) 각각은 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각의 코디네이션에 의해 D2D 통신을 수행할 수 있다.

한편, 많은 무선 통신 시스템은 다양한 디바이스들에게 무선 통신 서비스를 제공하기 위하여, 랜덤 액세스(RA: Random Access)을 정의할 수 있다. LTE/LTE-A 시스템이나 5G NR 시스템에서는 랜덤 액세스 채널(RACH: Random Access Channel)을 정의할 수 있고, 이 때 무선 디바이스들은 서로 직교하는 다수의 자도프 추(Zadoff-Chu) 시퀀스를 프리앰블로 사용하게 될 수 있다.

각 디바이스는 다수의 직교하는 프리앰블 중 하나를 골라서 AP(access point)에 접속을 시도할 수 있다. 이에 따라, AP는 서로 다른 프리앰블을 사용하는 두 디바이스가 동시에 접속을 시도할 경우 두 디바이스의 접속 시도를 서로 구분해 낼 수 있다. 하지만, AP에 같은 프리앰블을 선택한 두 디바이스가 동시에 접속 할 경우에 두 디바이스의 접속 신호는 충돌하게 될 수 있다. 이에 따라 AP는 두 디바이스의 접속 시도를 구분해 내기가 힘들어 질 수 있다.

무선 통신 시스템은 무선 디바이스의 수가 많아질수록 접속 충돌 횟수가 증가할 수 있고, 이때 AP 접속에 성공하는 디바이스 수가 적어지기 때문에 접속을 시도하는 디바이스의 수가 증가할수록 효율적인 무선 접속 기술이 매우 필요하게 될 수 있다.

한편, 무선 통신 시스템에서 간섭 제어는 무선 통신 시스템의 성능을 올리기 위한 핵심 기술 중 하나일 수 있다. 하지만 무선 통신 시스템에서 정교한 간섭 제어를 위해서는 대부분의 경우에 채널 정보를 정확히 알아야 할 수 있고, 높은 복잡도가 필요할 수 있다.

이와 같은 상황에서 간섭 제어의 복잡도를 줄이기 위해 미리 임의로 정해진 빔을 사용하는 방식이 고려될 수 있다. 여기에서, 미리 임의로 정해진 빔을 랜덤 빔이라고 지칭할 수 있다. 이처럼 랜덤 빔을 사용하는 방식은 채널 상황과 별개로 빔을 고정시켜 놓을 수 있고, 빔에 맞는 디바이스를 선택하여 전송하는 등 기회적으로 통신 시스템을 운용할 수 있다. 이러한 방식에서는 채널을 정확히 알 필요가 없으며, 빔 포밍의 계산이 필요하지 않아서 복잡도를 크게 낮출 수 있다.

따라서 무선 통신 시스템에서 랜덤 빔을 사용하는 방식은 랜덤 액세스 프로토콜에서 지연 시간을 줄이고 단말간 충돌을 완화시키기 위한 하나의 좋은 방법이 될 수 있다.

도 3은 랜덤 액세스 방법의 제1 실시예를 도시한 순서도이다.

도 3을 참조하면, LTE/LTE-A/NR 시스템에서 랜덤 액세스 방법은 다음과 같이 네 단계로 이루어질 수 있다.

i) 1단계: 디바이스들이 랜덤 액세스 프리앰블(preamble)을 전송하는 단계(S301)

각 다비이스들은 경쟁 기반을 위해 사용되는 프리앰블을 하나 선택하여 UE로 선택된 프리앰블을 전송할 수 있다. NR 시스템은 총 64개의 프리앰블 중에서 정해진 일부를 비경쟁 기반 랜덤 액세스에 사용할 수 있도록 할 수 있고, 그 외의 프리앰블들은 경쟁 기반 랜덤 액세스에 사용할 수 있도록 할 수 있다.

ii) 2단계: UE의 랜덤 액세스 응답(S302)

UE는 수신한 프리앰블들에 해당하는 액세스 응답 신호(RAR: Random Access Response)를 해당하는 디바이스로 전송할 수 있다. UE는 랜덤 액세스 응답을 통해 각 디바이스가 L2(layer 2)/L3(layer 3) 메시지를 전송할 수 있도록 무선 자원을 할당할 수 있다.

이에 따라 1 단계에서 동일한 프리앰블을 전송한 디바이스들은 UE에서 동일한 랜덤 액세스 응답을 수신할 수 있다. 따라서 동일한 프리앰블을 전송한 디바이스들은 UE에서 동일한 무선 자원을 할당받을 수 있다.

iii) 3단계: 디바이스들의 L2/L3 메시지 전송(S303)

랜덤 액세스 응답을 받은 디바이스들은 자신의 구별자(ID: identity)를 포함하여 UE에 RRC(Radio Resource Control) 접속 요구, 스케줄링 요구와 같은 랜덤 액세스 절차 메시지를 전송할 수 있다. 이때 디바이스들은 2단계에서 할당 받은 무선 자원을 사용할 수 있으므로 1단계에서 동일한 프리앰블을 선택한 디바이스들은 동일한 무선 자원을 사용하게 되어 충돌이 발생할 수 있다.

iv) 4단계: 경쟁 해소(Contention resolution) 단계(S304)

UE는 3단계에서 받은 메시지에 대한 디코딩을 수행할 수 있다. 이때, 동일한 무선 자원을 사용하여 L2/L3 메시지를 전송하는 디바이스들이 여러 개일 수 있으며, 이에 따라 경쟁 해소 절차가 필요할 수 있다. 이에 따라, UE는 디코딩에 성공한 디바이스들의 구별자를 포함하는 경쟁 해소 메시지를 디바이스들로 전송할 수 있다. 이때, UE는 각 디바이스에 할당한 무선 자원으로 데이터를 전송할 수 있다. 만약 어떤 디바이스는 경쟁 해소(contention resolution) 메시지에서 자신의 구별자를 발견하지 못할 수 있으며, 이 경우 그 디바이스는 접속에 실패한 것일 수 있어 일정한 랜덤 백오프(backoff) 이후 다시 접속을 시도하게 될 수 있다.

한편, 다중 빔을 사용한 랜덤 액세스 방법이 제안될 수 있다. 이러한 랜덤 액세스 방법은 랜덤 액세스를 시도하는 디바이스가 여러 개의 프리앰블을 순차적으로 여러 개의 빔을 사용하여 전송할 수 있다. 그러면 UE는 가장 품질이 좋은 빔에 해당하는 프리앰블을 수신할 수 있다. 이처럼 UE는 가장 좋은 품질의 빔에 해당하는 프리앰블을 수신함으로 부정확한 채널 정보 하에서 랜덤 액세스를 가능하게 하는데 중점을 둘 수 있다. 이때 UE는 하나의 프리앰블을 이용하여 하나의 디바이스와 통신을 수행할 수 있다.

다른 방법으로 랜덤 액세스를 시도하는 디바이스가 하나의 프리앰블만을 보내지만, UE는 다수의 랜덤 빔(미리 임의로 정해진 빔)의 빔 패턴 값들(일예로, 수신 빔 방향, RI(rank indicator), PMI(precoder-matrix indicator) 등)을 이용하여 디코딩할 수 있다. 이 때 UE는 채널 상황에 따라서 동일한 프리앰블을 전송한 다수 디바이스의 랜덤 액세스를 동시에 처리할 수 있다.

도 4a와 도 4b는 통신 시스템의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.

도 4a와 도 4b를 참조하면, 랜덤 액세스 방법이 구현되는 통신 시스템은 기지국(401), 기지국(401)에 무선으로 접속할 수 있는 다수의 UE(402) 및 UE(402)에 무선으로 접속할 수 있는 다수의 디바이스(403)를 포함할 수 있다.

통신 시스템은 다수의 UE(402)가 있을 수 있고, 각 UE(402) 주위로 다수의 디바이스(403)가 있을 수 있다. 이때 다수의 디바이스(403)는 근접한 UE(402)에 접속을 시도할 수 있다.

여기에서는 설명의 편의를 위해, 하나의 UE(402)와 그 인접 디바이스(403)들을 고려할 수 있다. 각 UE(402)는 M개의 안테나를 가지고 있을 수 있고, 각 디바이스(403)들은 하나의 안테나를 가지고 있을 수 있다. 이 때 UE(402)의 주위에 총 K개의 디바이스(403)가 있다고 가정할 수 있다. UE(402)는 M개의 다중 안테나를 가지고 있을 수 있으므로 최대 M개의 디바이스(403)들을 한번에 서비스 할 수 있다. 여기에서, M과 K는 자연수일 수 있다.

본 발명에서는 각 디바이스(403)가 랜덤 액세스 방식으로 UE(402)에 접속하는 상황을 고려할 수 있다. 이때 각 디바이스(403)는 직교 프리앰블에 기반한 랜덤 액세스를 시도할 수 있다. UE(402)는 채널 정보를 이용하여 생성하는 빔이 아닌 미리 임의로 정해진 패턴을 가지고 있는 빔인 랜덤 빔을 결정할 수 있다. 여기서, 랜덤 빔은 디바이스의 위치나 디바이스에서 송신하는 신호 세기 등을 고려하여 결정될 수 있다. 그리고, UE(402)는 랜덤 빔을 가지고 수신 신호를 수신하여 디코딩할 수 있다. UE는 해당 랜덤 빔을 사용하여 디바이스(403)들에게 통신 서비스를 제공할 수 있다.

이로서 UE(402)는 빔포밍 벡터 계산을 위해 필요한 채널 정보가 필요하지 않게 될 수 있으며, 이는 채널 추정이나 빔포밍 벡터에 필요한 계산량과 지연시간을 크게 줄일 수 있다. 본 발명에서는 UE(402)와 디바이스(403)들간에 통신이 시분할 송수신 방식으로 이루어지는 통신 환경을 고려할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아닐 수 있다. UE(402)와 디바이스(403)들 사이의 송수신 채널은 동일할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔 기반 랜덤 액세스 방법이 구현되는 통신 시스템은 UE가 M개의 안테나를 가지고 있으므로 동시에 최대 M개의 디바이스들과 통신할 수 있다. 따라서 UE는 최대한 많은 디바이스들의 신호를 디코딩 하기 위해 노력한다고 가정할 수 있다.

UE는 디바이스들과 통신하기 위해 M개의 랜덤 빔

을 사용할 수 있다. 이때 각 랜덤 빔은 크기가 1일 수 있고, 서로 직교할 수 있다. 총 K개의 디바이스들 중에 UE에게 전송을 원하는 디바이스들의 그룹 D는

라고 가정할 수 있다. 여기서 [K]는 K보다 작거나 같은 자연수의 집합을 나타낼 수 있다. 이때 디바이스들의 그룹

의 크기 (원소 수)는 M보다 클 수 있다. 그룹

의 디바이스들이 신호를 전송할 때 UE가 받은 신호 y(

)는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서

는 디바이스 d의 채널일 수 있고,

는 디바이스 d의 전송 신호(예를 들어, 심볼)일 수 있다. 이때 디바이스 d의 전송 신호는

를 만족한다고 가정할 수 있고, 모든 디바이스들의 전송 신호 전력은

로 동일하다고 가정할 수 있다. 또한,

는 평균이 0행렬일 수 있고, 분산이 단위행렬이 되는 가우시안 노이즈일 수 있다.

UE는 각 디바이스의 전송 신호를 나머지 디바이스들의 간섭을 가우시안 노이즈로 하여 디코딩 한다고 가정할 수 있다. UE가 디바이스 d에서 수신한 수신 신호를 디코딩하기 위해 사용하는 랜덤 빔을

로 표시하면,

는 다음과 같이 주어질 수 있다.

(수학식 2)를 (수학식 1)에 적용하면, 다음과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

여기서

는 디바이스 d의 수신 신호에 해당하는 성분일 수 있고,

는 디바이스 d의 수신 신호를 디코딩할 때 다른 디바이스들로부터 오는 간섭 성분에 해당할 수 있다. 따라서 UE가 디바이스 d로부터 얻을 수 있는 전송 속도는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서 SINR_d는 디바이스 d의 신호대 간섭 잡음 전력비(SINR: signal to noise ratio)로 다음과 같이 주어질 수 있으며, 채널의 품질을 알려주는 품질 임계값으로 볼 수 있다.

만약 디바이스 d의 신호가 일정 SINR을 넘지 않는다면 UE에서 디코딩되지 않을 수도 있다. 디코딩에 필요한 최소 SINR 임계값(threshold)을

라고 할 때, 디바이스 그룹

중에서 디코딩이 되는 디바이스들의 그룹

는 다음과 같이 주어질 수 있다.

이 때, 두 디바이스 그룹간에는

가 성립하며, 만약 디바이스 그룹

들만 신호를 보낸다면 UE가 디바이스

에서 얻을 수 있는 전송속도는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서

는 UE가 디바이스 s로부터 얻을 수 있는 SINR로 다음과 같이 주어질 수 있다.

디바이스 그룹 간

관계가 성립하기 때문에,

관계가 성립할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 랜덤 빔 기반 랜덤 액세스 방법이 구현되는 통신 시스템은 UE가 디바이스들을 서비스하기 위해 랜덤 빔의 랜덤 빔포밍 벡터를 사용할 수 있다. UE가 (수학식 6)에서 주어진 디바이스 그룹

를 서비스할 때, 임의의 디바이스

를 서비스하기 위해, 디바이스 s의 수신 신호의 수신 방향에 상응하는 랜덤 빔을 송신 빔으로 사용할 수 있다. 그 결과, UE는 빔포밍 벡터 계산을 위한 연산량과 시간 지연을 단축시킬 수 있다. UE는 디바이스 그룹

를 서비스하기 위해 다음과 같은 신호를 구성할 수 있다.

여기서

는 디바이스 s에게 보내는 메시지일 수 있고, 디바이스 s를 위한 송신 전력이

라고 할 때,

를 만족할 수 있다. 따라서 송신 신호의 전력은

로 주어지게 될 수 있다. UE의 최대 송신 전력이

라면,

를 만족할 수 있다.

UE가 (수학식 9)에 의한 송신 신호를 보낼 때, 디바이스

에서의 수신 신호는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서

는 디바이스 s의 수신 신호에 해당할 수 있고,

는 디바이스 s가 겪는 기기간 간섭이 될 수 있다.

는 평균 0 분산 1의 가우시안 노이즈로 모델링될 수 있다. 따라서 디바이스 s가 UE로부터 얻을 수 있는 전송 속도는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서

는 디바이스 s가 UE에서 얻는 SINR로 다음과 같이 주어질 수 있다.

도 5는 랜덤 액세스 방법의 제2 실시예를 도시한 순서도이다.

도 5를 참조하면, 랜덤 액세스 방법은 LTE/LTE-A/NR 시스템의 동작과정에 기반하며, 다음과 같이 네 단계로 이루어질 수 있다.

i) 1단계: 디바이스들이 랜덤 액세스 프리앰블을 전송하는 단계(S501)

각 디바이스는 경쟁 기반을 위해 사용되는 프리앰블을 하나 선택하여 UE에 전송할 수 있다. NR 시스템은 총 64개의 프리앰블 중 정해진 일부가 비경쟁 기반 랜덤 액세스에 사용될 수 있으며, 그 외의 프리앰블들은 경쟁 기반 랜덤 액세스에 사용될 수 있다.

ii) 2단계: UE의 랜덤 액세스 응답(S502)

UE는 다수의 랜덤 액세스 프리앰블을 검출한 경우에, 각각의 랜덤 액세스 프리앰블에 대하여 해당하는 랜덤 액세스 응답 신호를 해당 디바이스에게 전송할 수 있다. 이때, UE는 디바이스에게 L2/L3 메시지의 전송에 사용할 수 있는 무선 자원을 할당할 수 있다. 1 단계에서 같은 프리앰블을 전송한 디바이스들의 그룹은 (수학식 1)의 디바이스 그룹

에 해당할 수 있다. 단계 1에서 동일한 프리앰블을 전송한 디바이스들은 UE로부터 해당 프리앰블에 대한 랜덤 접속 응답을 동일하게 받을 수 있고, 그 응답을 자기 데이터에 해당하는 응답으로 여길 수 있다. 따라서 단계 1에서 동일한 프리앰블을 전송한 디바이스들은 같은 무선 자원을 할당받게 될 수 있다.

iii) 3단계: 디바이스들의 L2/L3 메시지 전송

iv) 4단계: 경쟁 해소 절차(S504)

UE는 3단계에서 받은 메시지에 대한 디코딩을 수행할 수 있다. 이때, UE는 디바이스에서 수신한 메시지에 대하여 다수의 랜덤 빔의 빔 패턴 값(일예로, 수신 빔 방향, RI, PMI 등)을 사용하여 디코딩할 수 있다. 여기서, 랜덤빔은 수신 품질에 기초하여 다수의 디바이스들 각각에 대하여 결정된 수신 빔 방향을 의미할 수 있다.

다중 안테나를 가진 UE는 다중 안테나를 사용하여 수신된 신호를 디코딩하므로, 일정 SINR 임계값 이상을 가진 수신 신호가 디코딩될 수 있다. 이에 따라 UE는 디바이스에서 수신한 신호에 대하여 (수학식 5)를 사용하여 산출한 SINR이 일정 SINR을 넘지 않는다면 해당 디바이스에서 수신한 수신 신호를 디코딩하지 않을 수 있다. 디코딩에 필요한 최소 SINR 임계값을

라고 할 때, 디바이스 그룹

중에서 디코딩이 되는 디바이스들의 그룹

는 (수학식 6)과 같이 주어질 수 있다. 이때, 4단계에서 UE는 (수학식 5)에서 목표(target) SINR을 1보다 큰 경우로 지정할 수 있으며, 이 경우에 각 랜덤 빔에서 디코딩된 디바이스의 수는 하나로 정해질 수 있어 경쟁이 해소될 수 있다.

이후에, UE는 디코딩에 성공한 디바이스들에게 해당하는 디바이스의 구별자를 포함하는 경쟁 해소 메시지를 디바이스들로 전송할 수 있다. 이때, UE는 L2/L3 메시지의 디코딩에 성공한 랜덤 빔을 송신 빔으로 하여 경쟁 해소 메시지를 디바이스에 전송할 수 있다. 즉, UE는 수신 빔 방향에 매핑되는 송신 빔을 사용하여 경쟁 해소 메시지를 디바이스에 전송할 수 있다. 이처럼 디바이스들은 자신들에게 해당하는 채널 정보를 이용하여 생성하는 빔이 아닌 랜덤 빔(또는 랜덤 송신 빔)을 통해 경쟁 해소 메시지를 수신하게 될 수 있으며, 할당받은 무선 자원 상에서 자신들의 데이터를 전송할 수 있다.

만약 어떤 디바이스가 경쟁 해소 메시지에서 자신의 구별자를 발견하지 못할 수 있으며, 이 경우 그 디바이스는 접속에 실패한 것일 수 있어 일정한 랜덤 백오프(backoff) 이후 다시 접속을 시도하게 될 수 있다.

한편, 디바이스 그룹

가 같은 무선 자원상에서 데이터를 전송할 때 UE가 디바이스

에서 얻을 수 있는 SINR은 (수학식 8)에서 구한

가 될 수 있다. 그리고, 각 랜덤 빔에서 디코딩된 디바이스는 해당 랜덤 빔으로 서비스를 받게 되는데, 이때 각 디바이스가 얻을 수 있는 전송 속도는 (수학식 11)이 될 수 있다. (수학식 12)에서

를 할당하면 모든 디바이스

에 대해 UE로부터 얻는 SINR인

을

이상으로 보장해 줄 수 있다.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

통신 시스템의 제1 통신 노드에서 수행되는 동작 방법으로서,
수신 품질에 기초하여 다수의 디바이스들 각각에 대한 수신 빔 방향을 결정하는 단계;
상기 다수의 디바이스들로부터 동일한 랜덤 액세스 프리앰블을 수신하는 단계;
상기 동일한 랜덤 액세스 프리앰블에 대한 응답인 랜덤 액세스 응답을 상기 다수의 디바이스들에 전송하는 단계;
상기 수신 빔 방향에 기초하여 L2/L3 메시지에 대한 수신 동작을 수행하는 단계; 및
상기 L2/L3 메시지의 수신 품질이 임계값 이상인 경우, 상기 수신 빔 방향에 매핑되는 송신 빔을 사용하여 상기 L2/L3 메시지에 대한 경쟁 해소 메시지를 전송하는 단계를 포함하는, 제1 통신 노드에서 수행되는 동작 방법.